DE102013216599A1

DE102013216599A1 - Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug, Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung, Verfahren zum Anpassen einer derartigen Vorrichtung und Verfahren zum Signalisieren eines Aufpralls auf ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013216599A1
Application number: DE201310216599
Authority: DE
Inventors: Armin Koehler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-02-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (800) zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug (1300). Die Vorrichtung (800) umfasst eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und ein elektroaktives Polymerelement zum Aufnehmen der Aufprallenergie, wobei das elektroaktive Polymerelement mit der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht einen Stapel bildend zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einem Querträger und einer an dem Querträger angeordneten derartigen Vorrichtung, ein Verfahren zum Anpassen einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Signalisieren eines Aufpralls auf ein Fahrzeug unter Verwendung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf das Fahrzeug sowie auf ein entsprechendes Steuergerät.
Kraftfahrzeug-Crashstrukturen dienen bei einem Unfall zur Energieaufnahme. Dabei wird kinetische Energie unter Abgabe von Wärme in eine plastische Verformung gewandelt. Die Crashstrukturen bzw. Aufprallabsorber sind in der Regel so ausgelegt, dass sie einen typischen Zusammenstoß mit einem Kollisionsgegner aufnehmen können. Typische Szenarien werden von der Unfallforschung ermittelt und dann in Crashhallentests abgebildet. Die verwendeten Parameter sind Aufprallgeschwindigkeit, Masse, Form, Kontaktfläche und Steifigkeit des aufprallenden Objektes.
Ein Sonderfall unter den Crashstrukturen sind Elemente, die am Fahrzeug angebracht sind, um den Aufprall für einen Fußgänger abzuschwächen. Hierfür werden Schäume und leicht biegsame Blechelemente am Frontend des Fahrzeugs angebracht.
In der Vorentwicklung gibt es erste Ansätze für adaptive Strukturen, welche sich während des Fahrzeugbetriebs an bestimmte Situationen anpassen können.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einem Querträger und einer an dem Querträger angeordneten derartigen Vorrichtung, ein Verfahren zum Anpassen einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Signalisieren eines Aufpralls auf ein Fahrzeug unter Verwendung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf das Fahrzeug und weiterhin ein Steuergerät, das diese Verfahren verwendet gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Mit dem Einsatz einer Formgedächtnisstruktur in einem adaptiven Aufprallabsorber kann ein neues, innovatives Aktuatorprinzip für derartige adaptive Crashstrukturen umgesetzt werden, das sich dadurch auszeichnet, dass ein entsprechender Aktuator gleichzeitig eine Länge und eine Steifigkeit der Struktur beeinflussen kann. Auf einfache Weise lässt sich dieses Konzept beispielsweise unter Verwendung eines dielektrisch elektroaktiven Polymers (DEAP) realisieren, das basierend auf ein Anlegen einer Spannung seine Form und/oder Steifigkeit so ändert, dass ein optimaler Kollisionsschutz für Fahrzeuginsassen und/oder Fußgänger gewährleistet werden kann.
Eine auf Basis eines DEAP-Aktuators konzipierte adaptive Crashstruktur weist die Vorteile auf, dass sie in ihrer Funktion reversibel ist und zudem eine hohe Aktivierungsgeschwindigkeit besitzt bzw. nur eine kurze Aktivierungszeit benötigt. Gegenüber passiven Bauteilen, die einmal im Designprozess abgestimmt werden und sich im Fahrzeugbetrieb nicht verändern lassen, zeichnet sich ein die hier vorgestellte Formgedächtnisstruktur einsetzender Aufprallabsorber dadurch aus, dass Ausdehnung und Kraft/Druckpotential bzw. Energieaufnahme des verwendeten Aktuators stufenlos einstellbar bzw. regelbar sind. Da das verwendete Material durch seine Elastizität in einer Grundeinstellung des Aktuators sehr weich ist, aber über eine entsprechende Energiezufuhr sehr hart gemacht werden kann, können sich ferner Einstellbereiche ergeben, die vom Fußgängerschutz bis zum Crashschutz reichen. Ein gemäß dem hier vorgestellten Konzept aufgebauter Aktuator ist auch mit der in zukünftigen Elektrofahrzeugen verfügbaren hohen Spannung steuerbar. Insbesondere kann in einer einfach umzusetzenden Umkehrung des beschriebenen Aktuatorprinzips die Formgedächtnisstruktur gleichzeitig als Sensor – beispielsweise zur Erkennung einer Kollision – verwendet werden.
Da eine gemäß dem hierin gezeigten Ansatz konzipierte Crashstruktur wenig Bauraum benötigt, eignet sie sich beispielsweise hervorragend zum Einsatz in kleinen und leichten Fahrzeugen, in denen kein Platz für große Crashstrukturen vorhanden ist und die bei einem Zusammenstoß mit schwereren Fahrzeugen ungleich viel mehr Energie aufnehmen müssen. So kann auf eine Verwendung der sonst üblichen sehr harten Crashstrukturen, die einen hohen auf den Insassen wirkenden Crashpuls aufweisen können, verzichtet werden.
Eine Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug weist die folgenden Merkmale auf:
eine erste Elektrodenschicht;
eine zweite Elektrodenschicht; und
ein elektroaktives Polymerelement zum Aufnehmen der Aufprallenergie, wobei das elektroaktive Polymerelement mit der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht einen Stapel bildend zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann beispielsweise an einem Längs- oder Querträger des Fahrzeugs angeordnet sein, um die Aufprallenergie im Fall einer Kollision des Fahrzeugs aufzunehmen und so einen oder mehrere Insassen des Fahrzeugs vor kollisionsbedingten Verletzungen zu schützen. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die mit einem Aufprall in das Fahrzeug eingeleitete kinetische Energie mit einer Verformung des elektroaktiven Polymerelements ganz oder teilweise aufzunehmen. Die Vorrichtung kann mit entsprechender Anordnung im Fahrzeug zum Kollisionsschutz bei Frontal- oder Seitenkollisionen eingesetzt werden. Die erste und zweite Elektrodenschicht können als gleich dimensionierte z. B. rechteckige Folien ausgebildet sein, die flächig auf einander gegenüberliegenden Hauptseiten des elektroaktiven Polymerelements angeordnet sind. Die erste und zweite Elektrodenschicht können ausgebildet sein, um ansprechend auf ein Anlegen einer elektrischen Spannung einen Stromfluss durch das elektroaktive Polymerelement zu erzeugen. Das elektroaktive Polymerelement kann ausgebildet sein, um basierend auf dem es durchfließenden elektrischen Stroms eine Form- bzw. Steifigkeitsänderung zu durchlaufen, um zur Aufnahme der Aufprallenergie optimal geeignet zu sein. Das elektroaktive Polymerelement kann eine im Wesentlichen einer Form der Elektrodenschichten entsprechende Form aufweisen, also bei einer Rechteckform der ersten und zweiten Elektrodenschicht beispielsweise quaderförmig ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung kann das elektroaktive Polymerelement ein Elastomermaterial aufweisen. Das elektroaktive Polymerelement kann beispielsweise vollständig aus dem Elastomermaterial gebildet sein. Das Elastomermaterial, das zu den Formgedächtnisstrukturen gezählt werden kann, zeichnet sich dadurch aus, dass es nach einer Anregung zur Formänderung – wie z. B. durch Anlegen einer elektrischen Spannung – eigenständig wieder in seine Ursprungsform zurückkehren kann. Dies bietet im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Vorteile beispielsweise hinsichtlich einer möglichen Fehlauslösung oder einer nur leichten Kollision. Das elektroaktive Polymerelement kann mit Unterbrechen der Stromzufuhr wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren und braucht nicht ausgetauscht zu werden, was eine wesentliche Kostenersparnis beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit sich bringt. Zudem ist das Elastomermaterial dadurch gekennzeichnet, dass es ein geringes spezifisches Gewicht aufweist, wodurch die Energieeffizienz eines die Vorrichtung einsetzenden Fahrzeugs bedeutend verbessert werden kann.
Insbesondere kann das elektroaktive Polymerelement ausgebildet sein, um ansprechend auf ein Anlegen einer ersten elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht aus einer ersten Form in eine zweite Form überzugehen und/oder von einer ersten Steifigkeit in eine zweite Steifigkeit zu wechseln. Die Formänderung kann auf einfache Weise durch eine durch den elektrischen Stromfluss bewirkte Neuausrichtung von Molekülketten in dem Material des elektroaktiven Polymerelements erzielt werden. Auch die Steifigkeitsänderung kann als eine inhärente Folge des elektrischen Stromflusses durch das elektroaktive Polymerelement einfach und schnell bereitgestellt werden. Die Vorteile hier sind in der besonders schnellen und einfach umzusetzenden Aktivierung der Vorrichtung zu sehen.
Beispielsweise kann das elektroaktive Polymerelement ausgebildet sein, um in der zweiten Form eine größere Länge und/oder eine größere Breite als in der ersten Form aufzuweisen. So kann beispielsweise ein hohes Maß an Aufprallenergie aufgenommen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das elektroaktive Polymerelement ausgebildet sein, um ansprechend auf eine kollisionsinduzierte Verformung eine zweite elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht zu erzeugen. Beispielsweise kann mit der zweiten elektrischen Spannung ein elektrischer Stromfluss erzeugt werden, der eine zu der Flussrichtung eines mit der ersten elektrischen Spannung erzeugten Stromflusses entgegengesetzte Flussrichtung aufweist. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich bzw. alternativ der ihrer oben beschriebenen Funktion als Aufprallabsorber auch zur Crasherkennung eingesetzt werden. So kann vorteilhafterweise ohne Erfordernis zusätzlicher Elemente eine weitere Funktionalität bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung kann der aus der ersten Elektrodenschicht, dem elektroaktiven Polymerelement und der zweiten Elektrodenschicht gebildete Stapel von einem semi-starren Rahmenelement eingefasst sein. Das Rahmenelement kann ausgebildet sein, um einer Formänderung des Stapels zumindest um ein vorbestimmtes Maß zu folgen. Mit dem Einsatz des Rahmenelements kann die mit der Strominduktion zu bewirkende zweite Form noch exakter definiert und die Energieabsorptionsfähigkeit des elektroaktiven Polymerelements noch weitergehend verbessert werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der aus der ersten Elektrodenschicht, dem elektroaktiven Polymerelement und der zweiten Elektrodenschicht gebildete Stapel zu einer Rolle aufgerollt sein. In dieser einfach herzustellenden Form eignet sich die Vorrichtung insbesondere zum Seitenaufprallschutz, da ein zur Rolle geformter Absorberstapel geeignet beispielsweise an einem Türschweller angeordnet werden kann.
Auch kann der aus der ersten Elektrodenschicht, dem elektroaktiven Polymerelement und der zweiten Elektrodenschicht gebildete Stapel um zumindest eine weitere erste Elektrodenschicht, ein weiteres elektroaktives Polymerelement und eine weitere zweite Elektrodenschicht erweitert sein. Je nach Spezifikation kann der Stapel eine beliebige Mehrzahl von ersten und zweiten Elektrodenschichten sowie elektroaktiven Polymerelementen aufweisen, die jeweils so aufeinandergestapelt vorliegen, dass zum Anlegen bzw. Erzeugen der elektrischen Spannungen stets ein elektroaktives Polymerelement zwischen einer ersten Elektrodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht besonders ausgeprägte Form- und Steifigkeitsänderungen, sodass die Vorrichtung ausgelegt werden kann, auf Kollisionen unterschiedlichster Schweregrade geeignet zu reagieren.
Ein Fahrzeug mit einem Querträger kann eine an dem Querträger angeordnete Vorrichtung gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen aufweisen. Beispielsweise kann das Fahrzeug eine Mehrzahl der Vorrichtungen aufweisen, wenn diese z. B. entlang einer Längsachse des Querträgers nebeneinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann je eine Vorrichtung an einem jeweiligen Ende des Querträgers an oder in einem Schweller des Fahrzeugs angeordnet sein. Die Vorrichtung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie ohne Weiteres an beliebigen Positionen in einem Fahrzeug angeordnet und in unterschiedlichsten Fahrzeugtypen eingesetzt werden kann.
Ein Verfahren zum Anpassen einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug, wobei die Vorrichtung eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und ein elektroaktives Polymerelement zum Aufnehmen der Aufprallenergie aufweist, wobei das elektroaktive Polymerelement mit der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht einen Stapel bildend zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, weist die folgenden Schritte auf:
Empfangen eines eine bevorstehende Kollision signalisierenden Kollisionssignals; und
Anlegen einer ersten elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht, um einen Übergang aus einer ersten Form in eine zweite Form des elektroaktiven Polymerelements und/oder einen Wechsel von einer ersten Steifigkeit in eine zweite Steifigkeit des elektroaktiven Polymerelements zu bewirken, um die Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie anzupassen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren einen Schritt des Ermittelns einer Kollisionsschwere basierend auf dem Kollisionssignal und einem Schritt des Auswählens der ersten elektrischen Spannung aus einer Mehrzahl von elektrischen Spannungen basierend auf der Kollisionsschwere auf, um Dimensionen der zweiten Form und/oder einen Steifigkeitsgrad der zweiten Steifigkeit des elektroaktiven Polymerelements entsprechend der Kollisionsschwere zu bestimmen. Beispielsweise kann mit einer größeren Spannung eine weitreichendere Formänderung oder eine größere Steifigkeit des elektroaktiven Polymerelements erzielt werden. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung noch situationsgenauer an einen zu erwartenden Aufprallenergieabsorptionsgrad angepasst und ein Insassenschutz bzw. Fußgängerschutz noch weitergehend verbessert werden.
Ein Verfahren zum Signalisieren eines Aufpralls auf ein Fahrzeug unter Verwendung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf das Fahrzeug, wobei die Vorrichtung eine erste Elektrodenschicht, eine zweite Elektrodenschicht und ein elektroaktives Polymerelement zum Aufnehmen der Aufprallenergie aufweist, wobei das elektroaktive Polymerelement mit der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht einen Stapel bildend zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, weist die folgenden Schritte auf:
Erzeugen einer zweiten elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht basierend auf einer kollisionsinduzierten Verformung des elektroaktiven Polymerelements; und
Ausgeben eines Kollisionsdetektionssignals basierend auf der zweiten elektrischen Spannung, um den Aufprall zu signalisieren.
So kann eine Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache Weise umgekehrt werden und die Vorrichtung damit zur Kollisionsdetektion eingesetzt werden. Basierend auf der Kollisionsdetektion können weitere Sicherheitssysteme des Fahrzeugs aktiviert werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte eines der vorstehend erläuterten Verfahren in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise eines DEAP-Aktuators;
2 ein Diagramm zur Erläuterung der Energiedichte eines DEAP-Aktuators;
3A eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug in einer ersten Form, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3B eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung aus 3A in einer zweiten Form, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4A eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug in einer ersten Form, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4B eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung aus 4A in einer zweiten Form, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5A eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug in einer ersten Form, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5B eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung aus 5A in einer zweiten Form, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6A eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug in einem Ruhezustand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6B eine Prinzipdarstellung des Fahrzeugs mit der Vorrichtung aus 6A in einem Aktivierungszustand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6C eine Prinzipdarstellung des Fahrzeugs mit der Vorrichtung aus 6A in einer Funktion der Vorrichtung als Sensor, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7A eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug in einem Ruhezustand, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7B eine Prinzipdarstellung des Fahrzeugs mit der Vorrichtung aus 7A in einem Aktivierungszustand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7C eine Prinzipdarstellung des Fahrzeugs mit der Vorrichtung aus 7A in einer Funktion der Vorrichtung als Sensor, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8A eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug in einem Ruhezustand, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8B eine Prinzipdarstellung des Fahrzeugs mit der Vorrichtung aus 8A in einem Aktivierungszustand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8C eine Prinzipdarstellung des Fahrzeugs mit der Vorrichtung aus 8A in einer Funktion der Vorrichtung als Sensor, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anpassen einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Signalisieren eines Aufpralls auf ein Fahrzeug unter Verwendung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf das Fahrzeug, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer Vorrichtung 800 zum Aufnehmen einer Aufprallenergie, die gemäß einem Ausführungsbeispiel als eine adaptive Crashstruktur 800 zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug mittels des Einsatzes von Formgedächtnisstrukturen ausgeführt ist.
Die Crashstruktur 800 kann im Zusammenhang mit herkömmlichen Crashstrukturen mit unterschiedlichen Funktionalitäten oder auch mit neuartigen Crashstrukturen eingesetzt werden. Die Energieabsorptionsmöglichkeit einer Crashstruktur ist definiert durch ihre Steifigkeit und Länge. Ideal zur Absorption der Aufprallenergie ist im Allgemeinen eine lange, eher weiche Struktur, da diese bei der Energieabsorption geringere Kräfte und Beschleunigungen, die auf den Insassen wirken, erzeugt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist bei einer Fahrzeug-Crashstruktur am Frontend des Fahrzeugs zwischen Stoßfänger bzw. Querträger und Längsträger eine Crashbox angeordnet. Eine solche Crashstruktur weist Ableitungen auf die Fahrgastzelle, die A/B/C-Säulen, den Schweller und den hinteren Querträger auf.
Vorteilhafterweise lässt sich die Crashstruktur 800 im Zusammenhang mit Ansätzen für adaptive Strukturen einsetzen, die sich während des Fahrzeugbetriebs an bestimmte Situationen anpassen können. Dabei kann zwischen zwei Grundprinzipien unterschieden werden, welche sich auch kombinieren lassen. So gibt es „ausfahrbare“ Strukturen, die eine Länge der Crashstruktur vergrößern aber die Steifigkeit konstant halten. Crashstrukturen dieses Typs sind in Form von ausfahrbaren Frontstrukturen einer aufblasbaren Seitenstruktur eine Abwandlung des hier beschriebenen Ansatzes. Daneben existiert ein Konzept für Strukturen, die die Steifigkeit eines Aufprallabsorbers anpassen und die Länge konstant halten. Auch gibt es Konzepte der Versteifung der Seitenstruktur eines Fahrzeugs sowie adaptive Frontstrukturen zur Umschaltung zwischen Fußgängerschutz und Fahrzeugkollisionsschutz.
Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele ermöglicht die Crashstruktur 800 eine Anpassung der Steifigkeit der Crashbox bzw. des Längsträgers auf die Crashschwere bzw. den Aufprallort im Frontalcrash, eine Anpassung der Steifigkeit von Tür, Schweller oder Querträger auf die Crashschwere bzw. den Aufprallort im Seitencrash, eine Verlängerung der Crashstruktur, z. B. des Frontends, beim Frontcrash oder der Tür bzw. des Schwellers beim Seitencrash oder eine Anpassung der Steifigkeit im Frontend passend für einen Fußgänger- oder Fahrzeugaufprall. Neben dem Ziel die Sicherheit zu erhöhen, können adaptive Strukturen auch eingesetzt werden, um Gewicht zu sparen oder das Design zu optimieren, z. B. durch die Verkürzung des Frontends. Adaptive Strukturen gemäß dem Stand der Technik werden beispielsweise mittels Pyrotechnik, Pneumatik oder Hydraulik oder mithilfe eines Elektromotors bzw. ferromagnetischer Effekte aktiviert.
Eine Integration der Crashstruktur 800 in ein Fahrzeug ist anhand der nachfolgenden Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
In Bezug auf die Crashstruktur 800 bzw. die Vorrichtung 800 zum Aufnehmen einer Aufprallenergie ist in 1 eine in Form eines DEAP-Aktuators ausgebildete Vorrichtung 800 in verschiedenen Phasen ihrer Aktuierung gezeigt.
Die Vorrichtung 800 setzt sich aus einer ersten Elektrodenschicht 802, einer zweiten Elektrodenschicht 804 und einem zwischen der ersten Elektrodenschicht 802 und der zweiten Elektrodenschicht 804 angeordneten elektroaktiven Polymerelement 806 zusammen. Das elektroaktive Polymerelement 806 besteht hier aus einem Elastomermaterial und ist ausgebildet, um mit Anlegen einer elektrischen Spannung durch Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Arbeit seine Form zu verändern.
Die erste Elektrodenschicht 802 und zweite Elektrodenschicht 804 bestehen aus einem nachgiebigen Material, um sich an eine veränderte Form des elektroaktiven Polymerelements 806 anpassen zu können. Das auf einem Elastomer basierende elektroaktive Polymerelement 806 zeichnet sich dadurch aus, dass es hohe Dehnungen erzeugen kann und eine hohe elastische Energiedichte verzeichnet. Zusätzlich erhöht sich mit dem Stromzufluss eine Steifigkeit der Vorrichtung 800. So kann über die Verwendung des elektroaktiven Polymerelements 806 die Vorrichtung 800 situationsgerecht in Form und Steifigkeit zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein die Vorrichtung 800 einsetzendes Fahrzeug angepasst werden. Entsprechend ihrer Funktionalität wird die Vorrichtung 800 in Zusammenhang mit einer die elektrische Spannung liefernden Spannungsquelle 808 auch als DEAP-Aktuator (DEAP = dielektrisch elektroaktives Polymer) bezeichnet.
Das in 1 gezeigte Phasenbild ist geeignet, um das Funktionsprinzip eines des DEAP-Aktuators 800 zu erläutern. Das Phasenbild zeigt die Formveränderung der Vorrichtung 800 in Abhängigkeit einer auf sie wirkenden elektrischen Spannung, wobei der DEAP-Aktuator 800 oben in der Abbildung mit unterbrochenen Spannungszufuhr und unten in der Abbildung mit angelegter Spannung gezeigt ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 800 eine Zylinderform auf. Abweichend davon sind auch beliebige andere Formen realisierbar.
Wie die Darstellung in 1 zeigt, dehnt sich bei Anlegen einer Spannung unter einer Kraftwirkung der Aktuator 800 aus. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dehnt sich der DEAP-Stapel in Haupterstreckungsrichtungen der ersten Elektrodenschicht 802 und der zweiten Elektrodenschicht 804 aus und zieht sich in Bezug auf eine Höhe der Vorrichtung 800 zusammen. Dies geschieht dadurch, dass sich die dielektrischen Schichten des elastischen Polymers 806 unter der Wirkung einer elektronischen Feldstärke ausrichten. Das Volumen des Polymers 806 bleibt aber nahezu konstant, da es inkompressibel ist. So wird der Stapel der Vorrichtung 800, wie die Darstellung in 1 anschaulich zeigt, unter fortgesetzter Wirkung der elektrischen Spannung immer flacher und gleichzeitig breiter. Wird die Spannungszufuhr unterbrochen, bewegt sich die Vorrichtung 800 aufgrund der verwendeten Formgedächtnisstrukturen selbsttätig wieder in die oben in der Darstellung gezeigte Ausgangsform zurück.
In einer Umkehrung des oben beschriebenen Effekts ist die Vorrichtung 800 auch als ein Sensor einsetzbar. Eine von außen auf das DEAP-Material 806 wirkende Kraft bewirkt eine Verformung und erzeugt eine dazu proportionale Spannung.
Parameter, die die Leistung des beispielhaften Aktuators 800 bestimmen, sind Aktivierungszeit, Kraft- bzw. Druck-Potenzial, Energieaufnahme und Energiedichte sowie eine Ausdehnung bzw. ein Verfahrweg.
2 zeigt ein Diagramm, in dem die unterschiedlichen Energiedichten verschiedener Materialien vergleichend aufgetragen sind. Auf einer Abszisse des Diagramms sind Werte einer Dehnbelastung in Prozentpunkten zwischen 0,01 und 1000 angegeben. Die Ordinate zeigt Werte einer mechanischen Beanspruchung der verschiedenen Materialien zwischen 0,01 und 1000 MPa. Das Diagramm zeigt anschaulich, dass DEAPs, im Diagramm durch einen mit dem Bezugszeichen 900 gekennzeichneten Balken aufgetragen, polykristallinen Piezoelementen 902, Monokristallpiezoelementen 904, dem menschlichen Muskel 906, MRE’s 908 und auch einer Schwingspule 910 in Bezug auf die Dehnbeanspruchbarkeit überlegen ist.
Heutige DEAP-Materialien erlauben eine Ausdehnung von ca. 20 %. Für die Zukunft werden Dehnungen zwischen 50 und 380 % prognostiziert. Erzielbare Kräfte bzw. Drücke liegen zwischen 200 und 800 N/cm². Eine zu erzielende Energiedichte liegt damit bei bis zu 3.4 J/cm³. Es sind Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz realisierbar, d. h., ein Hub kann in einem Bruchteil einer Millisekunde erfolgen.
Die nachfolgenden 3A bis 5B zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen 800 in Form von DEAP-Aktuatoren 800 mit spezifischen Funktionsprinzipien. In einer groben Einteilung kann die Vorrichtung 800 als ein Stapelaktuator, ein Rollenaktuator oder ein semi-starrer Rahmenaktuator ausgeführt sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können auch alternative Formen eingesetzt werden, auf die hier nicht weiter eingegangen wird.
3A zeigt anhand einer perspektivischen Darstellung die Vorrichtung 800 in der Ausführung als Stapelaktuator ähnlich der in 1 gezeigten Ausführung zur Erläuterung des Funktionsprinzips des DEAPs. Bei dem in 3A gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 800 ist der aus der ersten Elektrodenschicht 802, dem elektroaktiven Polymerelement 806 und der zweiten Elektrodenschicht 804 gebildete Stapel um eine weitere erste Elektrodenschicht 1000, ein weiteres elektroaktives Polymerelement 1002 und eine weitere zweite Elektrodenschicht 1004 erweitert. Der in 3A gezeigte Stapelaktuator weist darüber hinaus noch weitere Elektroden- und Polymerelementschichten auf, die in der bereits beschriebenen Reihenfolge angeordnet sind. In der Darstellung in 3A ist die Vorrichtung 800 einem Ruhezustand bzw. und damit einer ersten Form 1005 gezeigt. Der Stapel weist grob eine Würfelform auf, eine Höhe 1006 des Aktuators 800 ist größer als eine Breite 1008 des Aktuators 800.
Die Auswirkung eines Anlegens der Spannung U an die Vorrichtung 800 ist in 3B gezeigt. Aufgrund des bereits beschriebenen elektroaktiven Effekts ist der Stapelaktuator 800 in eine zweite Form 1010 übergegangen und ist im Aktivierungszustand, um Aufprallenergie geeignet aufzunehmen. Die Breite 1008 ist größer geworden, während die Höhe bzw. Dicke 1006 sich verringert hat. Mit dem Anlegen der elektrischen Spannung U ist der Stapelaktuator 800 auch von einer ersten – geringeren – Steifigkeit in eine zweite – höhere – Steifigkeit übergegangen.
4A zeigt anhand einer weiteren perspektivischen Darstellung die Vorrichtung 800 als Rollenaktuator. Hier ist der die erste Elektrodenschicht 802, das elektroaktive Polymerelement 806 und die zweite Elektrodenschicht 804 aufweisende Stapel zu einer Rolle aufgerollt. Es ist keine Spannung angelegt, und die Vorrichtung 800 weist im Ruhezustand die für sie spezifische erste Form 1005 auf.
4B zeigt den Rollenaktuator 800 aus 4A im durch Anlegen der Spannung U erreichten Aktivierungszustand. Hier liegt die Vorrichtung 800 in der zweiten Form 1010 vor, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Durchmesser 1012 der Rolle 800 geringer als im in 4A gezeigten Ruhezustand ist, während eine Länge 1014 größer als im in 4A gezeigten Ruhezustand ist.
5A zeigt anhand einer Aufsicht eine weitere beispielhafte Variante der Vorrichtung 800. Hier ist der DEAP-Aktuator 800 als ein semi-starrer Rahmenaktuator ausgeführt. Der aus der ersten Elektrodenschicht, dem elektroaktiven Polymerelement und der zweiten Elektrodenschicht gebildete Stapel ist von einem semi-starren Rahmenelement 1200 eingefasst, das den Stapel bis zu einem vordefinierten Grad in eine Form zwingt. 5A zeigt die Vorrichtung in ihrer ersten Form 1005 bei nicht angelegter Spannung.
5B zeigt die Formänderung der Vorrichtung 800 bei Anlegen der Spannung U. Aufgrund der semi-starren Auslegung des Rahmenelements 1200 ist dieses geeignet, die strominduzierte Formänderung des Stapels bis zu einem vorgegebenen Grad zuzulassen und nachzubilden. Mit Einsatz des semi-starren Rahmenelements bildet die Vorrichtung 800 im in 5B gezeigten Aktivierungszustand eine sehr spezifische zweite Form 1010 aus.
Die nachfolgenden 6A bis 8C zeigen die Vorrichtung 800 im Einsatz im Fahrzeug zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf das Fahrzeug gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
6A zeigt anhand einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung ein Fahrzeug 1300 mit einem Ausführungsbeispiel der anhand der vorangegangenen Figuren erläuterten Vorrichtung 800. Gezeigt ist eine Front des Fahrzeugs 1300, in der die Vorrichtung bzw. DEAP-Struktur 800 installiert ist. Wie die Darstellung zeigt, ist die Vorrichtung in der Fahrzeug-Fronstruktur zwischen einem Stoßfänger 1302 und einem Längsträger 1304 des Fahrzeugs 1300 angeordnet. Die Vorrichtung 800 ist hier als Stapelaktuator, wie er anhand der 3A und 3B erläutert ist, oder alternativ als Rollenaktuator, wie er anhand der 4A und 4B erläutert ist, ausgebildet. Das Fahrzeug 1300 ist ferner mit einem Umfeldsensor 1306 zum Erfassen einer bevorstehenden Kollision des Fahrzeugs 1300 ausgestattet. Sowohl die Vorrichtung 800 als auch der Sensor sind über ein Leitungssystem mit einem gemeinsamen Sicherheits-Steuergerät 1308 mit der Spannungsquelle 808 zum Versorgen der Vorrichtung 800 mit elektrischer Energie verbunden. In der in 6A gezeigten Verkehrssituation ist keine Spannung an die Vorrichtung 800 angelegt, sie befindet sich im Normalbetrieb und damit in einem Ruhezustand. Entsprechend weist der DEAP-Aktuator zu dem in 6A gezeigten Zeitpunkt vor einer Kollision die erste Form 1005 auf. Der Umfeldsensor 1306 ist aktiv und sammelt Umfelddaten.
6B zeigt anhand einer weiteren Prinzipdarstellung des Fahrzeugs 1300 kurz vor einer Frontalkollision mit einem weiteren Fahrzeug bzw. Gegner 1310. Der Umfeldsensor 1306 hat den drohenden Front-Crash erkannt und ein Kollisionssignal 1312 an das Sicherheits-Steuergerät bzw. die Safety-ECU 1308 gesendet. Basierend auf dem Kollisionssignal bewirkt das Steuergerät 1308 einen elektrischen Stromfluss zwischen der Spannungsversorgung 808 und der Vorrichtung 800 in einer mittels eines Pfeils gekennzeichneten ersten Stromrichtung 1314. Basierend auf der Bestromung 1314 geht die DEAP-Struktur in die zweite Form 1010 mit höherer Steifigkeit über. Damit verlängert sich das Frontend des Fahrzeugs 1300. Die Vorrichtung 800 befindet sich jetzt im Aktivierungszustand und verfügt über eine an die bevorstehende Aufprallenergie angepasste Gegenkraft 1316 zur Aufnahme der Aufprallenergie.
6C erläutert anhand einer weiteren Prinzipdarstellung den Einsatz der Vorrichtung 800 als Kollisionsdetektionssensor. Mit einer durch den Crashgegner 1310 auf die Vorrichtung 800 wirkenden – hier mittels eines Pfeils gekennzeichneten – Aufprallenergie 1318 erfährt die DEAP-Struktur eine passive – also nicht auf einem elektrischen Stromfluss basierende – Verformung 1320, basierend auf der die DEAP-Struktur eine sich von ersten und zweiten Form unterscheidende dritte Form annimmt. Die Verformung 1320 erzeugt eine entgegen der in 6B gezeigten ersten Spannung wirkende zweite elektrische Spannung 1322 und damit der Übertragung eines Kollisionsdetektionssignals 1324 an das Steuergerät 1308.
Im anhand der Darstellung in 6A gezeigten normalen Fahrbetrieb bzw. Stillstand ist der Aktuator 800 ohne Spannung. Damit weist er eine kürzere Länge, einen größeren Durchmesser und eine geringe Steifigkeit auf. Dieser Ruhezustand bringt den Design-Vorteil, dass das Frontend des Fahrzeugs 1300 kürzer ist, mit sich. Diese Standardeinstellung bzw. der Ruhezustand mit weicher Einstellung verleiht dem DEAP-Aktuator 800 eine gute Performance für eine leichte Kollision wie beispielsweise einen Fußgängeraufprall. Wird, wie in 6B gezeigt, ein Aufprall gegen ein anderes Fahrzeug oder ein anderer Crash mit hoher Schwere erkannt – hier mittels Umfeldsensorik 1306 oder alternativ mit anderen Mitteln – wird die Spannung 1314 angelegt, die Struktur 800 dehnt sich in Crashrichtung aus und hat eine hohe Steifigkeit. Das hat den Vorteil, dass die Aufprallenergie über einen längeren Weg mit der höheren Kraft 1316 abgebaut werden kann.
Im in 6C gezeigten Fall wird die Struktur 800 zur Detektion eines Aufpralls verwendet. Aus dem Auftreffen eines Objekts, hier des Crashgegners 1310, auf die Stoßstange 1302 des Fahrzeugs 1300 ergibt sich die Kraftwirkung 1308 auf die DEAP-Struktur 800. Sie dehnt sich aus, d. h., die dielektrischen Schichten entfernen sich, und es bildet sich die Spannung 1322 aus.
Ein Rechenbeispiel soll die Vorteile des hier vorgestellten Konzepts in Zahlen deutlich machen. Es wird angenommen, dass die adaptive DEAP-Struktur 800 in einen Bauraum von 120 × 120 mm Fläche und 160 mm Länge im Fahrzeug 1300 integriert ist. Heutige Crashstrukturen sind im Vergleich etwas kleiner, besitzen typische Abmessungen von 80 × 100 × 160 mm und haben einen Verformweg von ca. 50 % und eine Blocklänge von ca. 50 %. Legt man die DEAP-Struktur 800 so aus, dass sie sich ebenfalls um die Hälfte verformen kann – siehe obige Dehnungsprognose von 50 % – kann man einerseits mit einem Precrash-System das Frontend um 80 mm verlängern bzw. über 80 mm Energie abbauen. Andererseits hat man für den Fußgängerschutz ebenfalls über 80 mm eine weiche Struktur. Beim Crash kann eine Flächenkraft auf einer Längsträgerseite von 12 × 12 cm × 800 N/cm² = 115,2 kN aufgebracht werden. Dies entspricht ziemlich genau dem, was heutige Crashstrukturen leisten müssen. Ein Vergleich für den Energieabbau zeigt ein ähnlich vielversprechendes Bild. Eine herkömmliche Crashstruktur baut im Mittel 80 kN über 80 mm = 6400 J ab. Die Energieabbaukapazität einer beispielhaften DEAP-Struktur 800 mit gleichen Dimensionen beträgt 12 × 12 × 8 cm × 3,4 J/cm³ = 3917 J.
7A bis 7C zeigen anhand weiterer stark vereinfachter Prinzipdarstellungen in Aufsicht einen Einsatz der Vorrichtung 800 in Form eines anhand der 5A und 5B vorgestellten beispielhaften Rahmenaktuators. Einsatzgebiet ist auch das Frontend eines Fahrzeugs. Der Schwerpunkt ist hier auf den Fußgängerschutz gelegt. Wie die Darstellung in 7A zeigt, werden drei identischen Rahmenaktuatoren 800 verwendet, die nebeneinander beabstandet an einer Außenseite eines Querträgers 1400 des Fahrzeugs angeordnet sind. Zur Abdeckung dient ein Kunststoff-Cover 1402. Die DEAP-Strukturen 800 umgebende Freiräume zwischen dem Querträger 1400 und der Kunststoff-Abdeckung 1402 sind mit einem den Fußgängerschutz noch weiter verbessernden Schaummaterial 1404 gefüllt. Im normalen Fahrbetrieb oder Stillstand bzw. für den Fußgängerschutz sind die Aktuatoren 800 ohne Spannung, damit befinden sie sich in der Ruheposition weisen die durch eine kürzere Länge gekennzeichnete erste Form 1005 auf. Da keine Spannung angelegt ist, sind die Strukturen 800 relativ weich. In dieser weichen Standardeinstellung liefern die DEAP-Strukturen 800 eine gute Performance für einen Fußgängeraufprall. Zudem besteht der Design-Vorteil, dass das Frontend kürzer ist.
Wird ein Aufprall gegen ein anderes Fahrzeug oder ein anderer Crash mit hoher Schwere erkannt, z. B. mittels einer hier nicht gezeigten Umfeldsensorik, wird wie in 7B gezeigt die Spannung 1314 angelegt, die Strukturen 800 dehnen sich basierend auf der Bestromung 1314 in Crashrichtung aus und haben eine hohe Steifigkeit zur Aufnahme der Aufprallenergie. Das hat den Vorteil, dass die Aufprallenergie über einen längeren Weg mit der höheren Kraft 1316 abgebaut werden kann.
Auch in der in den 7A bis 7C gezeigten beispielhaften Ausführung kann die Struktur 800 ebenso zur Detektion eines Aufpralls verwendet werden. Dieser Anwendungsfall ist in 7C erläutert. Trifft ein Objekt die Stoßstange 1302, ergibt sich die Kraftwirkung 1318 auf die DEAP-Strukturen 800. Die Strukturen 800 dehnen sich aus, d. h., ihre dielektrischen Schichten entfernen sich und es bildet sich die Spannung 1322 aus.
8A bis 8C zeigen anhand weiterer stark vereinfachter Prinzipdarstellungen einen Einsatz der Vorrichtung 800 zum Insassenschutz bei einem Seitenaufprall in einer Seitenstruktur eines Fahrzeugs. Hier ist die Vorrichtung 800 in der Ausführung als Rollen- oder Stapelaktuator in einem Schweller 1500 eines Fahrzeugs angeordnet, das hier mit der Darstellung eines benachbart zu einer Innenseite des Schwellers 1500 angeordneten Fahrzeugsitzes 1502 und einer oberhalb des Schwellers 1500 gezeigten Fahrzeugtür 1504 repräsentiert ist.
Im in 8A gezeigten Fahrbetrieb oder im Stillstand ist der Aktuator 800 ohne Spannung und im Ruhezustand. Damit hat er eine kürzere Länge, einen größeren Durchmesser und eine geringe Steifigkeit. Tür 1504 und Schweller 1500 sind bezüglich einer Fahrzeugaußenhaut plan. Wird ein Aufprall gegen ein anderes Fahrzeug 1310 oder ein anderer Crash mit hoher Schwere erkannt, hier mittels der Umfeldsensorik 1306, wird – wie die Darstellung in 8B zeigt – die Spannung 1314 angelegt, die Struktur 800 dehnt sich in Crashrichtung aus und geht in eine hohe Steifigkeit über. Das hat den Vorteil, dass die Aufprallenergie über einen längeren Weg mit der höheren Kraft 1316 abgebaut werden kann. Die Verwendung dieses Ausführungsbeispiels der Struktur 800 zur Detektion eines Aufpralls ist in 8C gezeigt. Trifft das Objekt 1310 den mit der Vorrichtung 800 ausgestatteten Schweller 1500, ergibt sich die Kraftwirkung 1318 auf die DEAP-Struktur 800. Sie dehnt sich aus, d. h., ihre dielektrischen Schichten entfernen sich und es bildet sich die Spannung 1322 zur Übertragung des Kollisionsdetektionssignals an das Steuergerät 1308 aus.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1600 zum Anpassen einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf ein Fahrzeug. Bei der Vorrichtung kann es sich um die anhand der vorangegangen Figuren ausführlich erläuterte DEAP-Struktur handeln. In einem Schritt 1602 empfängt ein Sicherheits-Steuergerät des Fahrzeugs ein eine bevorstehende Kollision signalisierendes Kollisionssignal von einem Umfeldsensor des Fahrzeugs. Basierend auf dem Kollisionssignal wird in einem Schritt 1604 eine Kollisionsschwere ermittelt. Basierend auf der Kollisionsschwere wird in einem Schritt 1606 eine erste elektrische Spannung aus einer Mehrzahl von elektrischen Spannungen ausgewählt, wobei die erste elektrische Spannung Dimensionen einer von der Vorrichtung einzunehmenden Form und/oder einen Steifigkeitsgrad der Vorrichtung entsprechend der Kollisionsschwere bestimmt. In einem Schritt 1608 wird die erste elektrische Spannung zwischen einer ersten Elektrodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht der Vorrichtung angelegt, um einen Übergang eines elektroaktiven Polymerelements der Vorrichtung aus einer ersten Form in die zweite Form und/oder einen Wechsel von einer ersten Steifigkeit in eine zweite Steifigkeit des elektroaktiven Polymerelements zu bewirken.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1700 zum Signalisieren eines Aufpralls auf ein Fahrzeug unter Verwendung einer Vorrichtung zum Aufnehmen einer Aufprallenergie auf das Fahrzeug, wie sie anhand obiger Figuren ausführlich erläutert ist. In einem Schritt 1702 wird basierend auf einer kollisionsinduzierten Verformung eines zwischen einer ersten Elektrodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht der Vorrichtung angeordneten elektroaktiven Polymerelements eine Spannung zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht erzeugt. In einem Schritt 1704 wird basierend auf der elektrischen Spannung ein Kollisionsdetektionssignal an ein Steuergerät des Fahrzeugs ausgegeben, um den Aufprall zu signalisieren.
Die Funktionalität der hierin vorgeschlagenen Idee ist durch einen prototypischen Aufbau einer erfindungsgemäßen DEAP-Crashstruktur und eine Funktionsprüfung dieser mittels Komponententests, z. B. unter Verwendung eines Fallturms oder eines Pendels oder mit einem Schlittentest, oder mit einem Einbau der Struktur in ein Fahrzeug und Durchführung eines Crashtests nachweisbar.
Mit der Umsetzung des hier vorgeschlagenen Ansatzes besteht die Chance auf ein wertiges, innovatives Produkt im Bereich der Sensierung und Aktuierung bei Sicherheitssystemen für die passive Sicherheit. Mit den hier vorgestellten adaptiven Formgedächtnisstrukturen kann eine Verbesserung der Crashperformance und damit eine Verringerung der Anzahl verletzter und getöteter Pkw-Insassen und Fußgänger in Aussicht gestellt werden. Auch die Kundenzufriedenheit kann durch die mögliche Designoptimierung durch die Verkürzung der Frontend-Länge verbessert werden. Zudem wird hier eine kostenattraktive Lösung vorgestellt, da Sensorik und Aktuatorik über eine einzige Komponente darstellbar sind.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Vorrichtung (800) zum Aufnehmen einer Aufprallenergie (1318) auf ein Fahrzeug (1300), wobei die Vorrichtung (800) die folgenden Merkmale aufweist: eine erste Elektrodenschicht (802); eine zweite Elektrodenschicht (804); und ein elektroaktives Polymerelement (806) zum Aufnehmen der Aufprallenergie (1318), wobei das elektroaktive Polymerelement (806) mit der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) einen Stapel bildend zwischen der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) angeordnet ist.
Vorrichtung (800) gemäß Anspruch 1, bei der das elektroaktive Polymerelement (806) ein Elastomermaterial aufweist.
Vorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das elektroaktive Polymerelement (806) ausgebildet ist, um ansprechend auf ein Anlegen einer elektrischen Spannung (1314) zwischen der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) aus einer ersten Form (1005) in eine zweite Form (1010) überzugehen und/oder von einer ersten Steifigkeit in eine zweite Steifigkeit zu wechseln.
Vorrichtung (800) gemäß Anspruch 3, bei der das elektroaktive Polymerelement (806) ausgebildet ist, um in der zweiten Form (1010) eine größere Länge (1014) und/oder eine größere Breite (1008) als in der ersten Form (1005) aufzuweisen.
Vorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das elektroaktive Polymerelement (806) ausgebildet ist, um ansprechend auf eine kollisionsinduzierte Verformung (1320) eine elektrische Spannung (1322) zwischen der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) zu erzeugen.
Vorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der aus der ersten Elektrodenschicht (802), dem elektroaktiven Polymerelement (806) und der zweiten Elektrodenschicht (804) gebildete Stapel von einem semi-starren Rahmenelement (1200) eingefasst ist, das ausgebildet ist, um einer Formänderung des Stapels zumindest um ein vorbestimmtes Maß zu folgen.
Vorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der aus der ersten Elektrodenschicht (802), dem elektroaktiven Polymerelement (806) und der zweiten Elektrodenschicht (804) gebildete Stapel zu einer Rolle aufgerollt ist.
Vorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der aus der ersten Elektrodenschicht (802), dem elektroaktiven Polymerelement (806) und der zweiten Elektrodenschicht (804) gebildete Stapel um zumindest eine weitere erste Elektrodenschicht (1000), ein weiteres elektroaktives Polymerelement (1002) und eine weitere zweite Elektrodenschicht (1004) erweitert ist.
Fahrzeug (1300) mit einem Querträger (1400) und einer an dem Querträger (1400) angeordneten Vorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren (1600) zum Anpassen einer Vorrichtung (800) zum Aufnehmen einer Aufprallenergie (1318) auf ein Fahrzeug (1300), wobei die Vorrichtung (800) eine erste Elektrodenschicht (802), eine zweite Elektrodenschicht (804) und ein elektroaktives Polymerelement (806) zum Aufnehmen der Aufprallenergie (1318) aufweist, wobei das elektroaktive Polymerelement (806) mit der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) einen Stapel bildend zwischen der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) angeordnet ist, und wobei das Verfahren (1600) die folgenden Schritte aufweist: Empfangen (1602) eines eine bevorstehende Kollision signalisierenden Kollisionssignals (1312); und Anlegen (1608) einer elektrischen Spannung (1314) zwischen der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804), um einen Übergang aus einer ersten Form (1005) in eine zweite Form (1010) des elektroaktiven Polymerelements (806) und/oder einen Wechsel von einer ersten Steifigkeit in eine zweite Steifigkeit des elektroaktiven Polymerelements (806) zu bewirken, um die Vorrichtung (800) zum Aufnehmen einer Aufprallenergie (1318) anzupassen.
Verfahren (1600) gemäß Anspruch 10, mit einem Schritt des Ermittelns (1604) einer Kollisionsschwere basierend auf dem Kollisionssignal (1312) und einem Schritt des Auswählens (1606) der ersten elektrischen Spannung (1314) aus einer Mehrzahl von elektrischen Spannungen basierend auf der Kollisionsschwere, um Dimensionen der zweiten Form (1010) und/oder einen Steifigkeitsgrad der zweiten Steifigkeit des elektroaktiven Polymerelements (806) entsprechend der Kollisionsschwere zu bestimmen.
Verfahren (1700) zum Signalisieren eines Aufpralls auf ein Fahrzeug (1300) unter Verwendung einer Vorrichtung (800) zum Aufnehmen einer Aufprallenergie (1318) auf das Fahrzeug (1300), wobei die Vorrichtung (800) eine erste Elektrodenschicht (802), eine zweite Elektrodenschicht (804) und ein elektroaktives Polymerelement (806) zum Aufnehmen der Aufprallenergie (1318) aufweist, wobei das elektroaktive Polymerelement (806) mit der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) einen Stapel bildend zwischen der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) angeordnet ist, und wobei das Verfahren (1700) die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen (1702) einer elektrischen Spannung (1322) zwischen der ersten Elektrodenschicht (802) und der zweiten Elektrodenschicht (804) basierend auf einer kollisionsinduzierten Verformung (1320) des elektroaktiven Polymerelements (806); und Ausgeben (1704) eines Kollisionsdetektionssignals (1324) basierend auf der zweiten elektrischen Spannung (1322), um den Aufprall zu signalisieren.
Steuergerät (1308), das ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (1600) gemäß Anspruch 10 oder 11 und/oder eines Verfahrens (1700) gemäß Anspruch 12 durchzuführen.